程海勇等：金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 17 充填料浆表现为非牛顿流体特性，但在黏性、 (,C点，通常将C点作为屈服点，认为在此点发 塑性、弹性、触变性、剪切稀化及剪切增稠等特征 生固-流转变行为)，浆体发生流动，主要表现出黏 上各有差异，如图10所示，4种材料下的剪切应力 性性质(CD段).浆体的触变性表现为：在给定的 响应具有较大差异.浆体的黏弹塑性特征可通过 温度等外界条件下，当受到剪切作用时，屈服应力 理想应力测试曲线进行阐述.在控制剪切速率 及黏度随时间减小：当剪切作用撤去后，屈服应力 (CSR)模式下，剪切应力缓慢增加，在初始阶段未 及黏度随时间逐渐增大.通常认为触变行为反映 发生流动，表现出弹性性质，应力应变呈线性关 了浆体细观结构的破坏与重建过程.分析认为，触 系，满足胡克定律(AB段)；剪切应力增加到某一 变环仅能作为材料触变性的定性判别依据，而无 值时，应力应变呈非线性变化，表现出黏弹性特征 法定量描述触变性的大小，亦不能据此获得真实 (BC段)剪切应力持续增加至超过某一特定值时 触变参数 (a) 140(b) Paste1D 120 Paste 2 100 Paste 3 Paste 4 80 60 -Thixotropic loops I -Thixotropic loops 2 -Thixotropic loops 3 40 Thixotropic loops4 Time/s 020406080100120140160180200 Shear rate/s- 图10充填料浆的黏弹性(a)与触变性(b) Fig.10 Viscoelasticity (a)and thixotropy (b)of filling slurry 流变特性的复杂，导致构建数学描述十分困 多物料、时间、资金、人力和物力，在大型工程和 难.建立流变本构方程以准确地描述充填料浆流 重点工程中具有重要指导意义，充填流变力学能 变特性，已成为充填技术发展的首要问题，也是流 够描述复杂的流变行为，作者通过《全尾砂膏体流 变学的核心问题.非牛顿流体力学中最重要的参 变学研究现状与展望》对流变力学的概念、流变特 量是剪切速率y与剪切应力π，根据二者的流变关 性、流变模型、流变影响因素以及流变测量学进 系曲线特点可以推断出流体的流动和流变行为规 行了专门详细论述 律，目前适用性较好的非牛顿流体流变模型有幂 Pipeline 律模型、Bingham模型、H-B(Herschel and Bulkley) Paste transportation preparation Weighting 模型及Casson模型等)] Mixing 浆体的流变特性受到多种因素的影响，主要 包括其内部组成成分及物化性质，如固体含量、尾 砂密度、固体颗粒配比和水化作用等，以及外部作 用，如温度和剪切历史等 环管测试是最接近实际生产的有效测试技 Waste disposal Thickening 术，特别是工业级环管测试系统，能反映现场输送 的管径、流量等指标，根据需求模拟多种工况条 图11环管实验装置图 件，如管道布置形式、管道材质等，试验结果可直 Fig.11 Schematic of the loop facility 接指导生产实践.如图11所示的工业级环管系统 2.3充填固体力学 包括了尾砂浓密、搅拌制备、不同布置形式的环 充填体在采场中通过应力吸收与应力转移、 管系统、废料处置以及自动控制系统等.环管系 应力隔离和系统的共同作用，能够限制岩体破碎 统具备精准的监测和控制仪表，能够同时对料浆 加剧，控制围岩变形和位移；对矿柱提供侧限应 制备及输送等关键参数进行精准调控，可长时间 力)，提高矿柱承载强度；提高地下结构抵抗动、 稳定运行并连续监测.但环管试验通常需耗费较 静载荷能力，形成安全回采空间，控制岩爆或其他充填料浆表现为非牛顿流体特性，但在黏性、 塑性、弹性、触变性、剪切稀化及剪切增稠等特征 上各有差异，如图 10 所示，4 种材料下的剪切应力 响应具有较大差异. 浆体的黏弹塑性特征可通过 理想应力测试曲线进行阐述. 在控制剪切速率 （CSR）模式下，剪切应力缓慢增加，在初始阶段未 发生流动，表现出弹性性质，应力应变呈线性关 系，满足胡克定律（AB 段）；剪切应力增加到某一 值时，应力应变呈非线性变化，表现出黏弹性特征 （BC 段）；剪切应力持续增加至超过某一特定值时 （τy，C 点，通常将 C 点作为屈服点，认为在此点发 生固‒流转变行为），浆体发生流动，主要表现出黏 性性质（CD 段）. 浆体的触变性表现为：在给定的 温度等外界条件下，当受到剪切作用时，屈服应力 及黏度随时间减小；当剪切作用撤去后，屈服应力 及黏度随时间逐渐增大. 通常认为触变行为反映 了浆体细观结构的破坏与重建过程. 分析认为，触 变环仅能作为材料触变性的定性判别依据，而无 法定量描述触变性的大小，亦不能据此获得真实 触变参数. Paste 4 Paste 3 Paste 2 τy C D B Shear stress/Pa Time/s A Paste 1 (a) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 40 60 80 100 120 140 Thixotropic loops 1 Thixotropic loops 2 Thixotropic loops 3 Thixotropic loops 4 Shear stress/Pa Shear rate/s−1 (b) 图 10    充填料浆的黏弹性（a）与触变性（b） Fig.10    Viscoelasticity (a) and thixotropy (b) of filling slurry γ˙ τ 流变特性的复杂，导致构建数学描述十分困 难. 建立流变本构方程以准确地描述充填料浆流 变特性，已成为充填技术发展的首要问题，也是流 变学的核心问题. 非牛顿流体力学中最重要的参 量是剪切速率 与剪切应力 ，根据二者的流变关 系曲线特点可以推断出流体的流动和流变行为规 律，目前适用性较好的非牛顿流体流变模型有幂 律模型、Bingham 模型、H‒B(Herschel and Bulkley) 模型及 Casson 模型等[13] . 浆体的流变特性受到多种因素的影响，主要 包括其内部组成成分及物化性质，如固体含量、尾 砂密度、固体颗粒配比和水化作用等，以及外部作 用，如温度和剪切历史等[14] . 环管测试是最接近实际生产的有效测试技 术，特别是工业级环管测试系统，能反映现场输送 的管径、流量等指标，根据需求模拟多种工况条 件，如管道布置形式、管道材质等，试验结果可直 接指导生产实践. 如图 11 所示的工业级环管系统 包括了尾砂浓密、搅拌制备、不同布置形式的环 管系统、废料处置以及自动控制系统等. 环管系 统具备精准的监测和控制仪表，能够同时对料浆 制备及输送等关键参数进行精准调控，可长时间 稳定运行并连续监测. 但环管试验通常需耗费较 多物料、时间、资金、人力和物力，在大型工程和 重点工程中具有重要指导意义. 充填流变力学能 够描述复杂的流变行为，作者通过《全尾砂膏体流 变学研究现状与展望》对流变力学的概念、流变特 性、流变模型、流变影响因素以及流变测量学进 行了专门详细论述. Thickening Mixing Weighting Waste disposal Pipeline transportation Paste preparation 图 11    环管实验装置图 Fig.11    Schematic of the loop facility 2.3    充填固体力学 充填体在采场中通过应力吸收与应力转移、 应力隔离和系统的共同作用，能够限制岩体破碎 加剧，控制围岩变形和位移；对矿柱提供侧限应 力[15] ，提高矿柱承载强度；提高地下结构抵抗动、 静载荷能力，形成安全回采空间，控制岩爆或其他 程海勇等： 金属矿山固废充填研究现状与发展趋势 · 17 ·